基于新能源發(fā)電的水力發(fā)電技術(shù)研究

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隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，國家建設(shè)和人民生活水平不斷提升，對(duì)電力需求越來越大，而在這種發(fā)展背景下，傳統(tǒng)的火力發(fā)電已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需求，因此開發(fā)新的能源發(fā)電勢(shì)在必行。水電作為一種清潔可再生資源，有著供應(yīng)穩(wěn)定、發(fā)電量大的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行深入的開發(fā)利用對(duì)我國社會(huì)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。從整體上看，我國幅員遼闊水能資源十分豐富，無論是水資源蘊(yùn)含量還是水資源開發(fā)量均位居世界首位，但從對(duì)水電的開發(fā)利用來看，整體開發(fā)程度不高。2022 年，我國水電發(fā)電裝機(jī)容量41350 萬kW，較年同期增加2258 萬kW，占總裝機(jī)容量的16%，由此可以看出，我國水電開發(fā)利用的上升空間較大。

1 新能源發(fā)電技術(shù)概述

新能源技術(shù)又被稱之為分布式能源技術(shù)，通常指的是以新能源和可再生能源為基礎(chǔ)的設(shè)備，旨在為用戶提供高質(zhì)量的能源服務(wù)，主要包含水能、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能以及地?zé)崮艿取Ｋl(fā)電作為一種新興的可再生能源技術(shù)，指的是將水能轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)，是一種通過利用一系列的工程措施，集中水流出力，使水能通過水輪機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程。

水力發(fā)電的一次能源是可再生的，水流的能量被用來發(fā)電后，在自然界的循環(huán)中還會(huì)產(chǎn)生新的水能，而水能又產(chǎn)生自太陽能，在太陽能的驅(qū)動(dòng)下，海洋中的水會(huì)以水蒸氣的形式，通過大氣環(huán)流輸送到陸地，再以降水的形式回歸為液態(tài)，然后液態(tài)降水以及冰雪融水通過河流返回大海的過程中，便形成了水能，因此只要太陽不滅，江河水流便會(huì)年年不斷，水力發(fā)電也能年年不息。

水力發(fā)電的過程不涉及水的化學(xué)變化，不消耗水量，不排放有毒有害物質(zhì)，不產(chǎn)生二氧化碳。水力發(fā)電運(yùn)行成本較低，僅為火電、核電成本的1/4 ～1/3。但水力發(fā)電技術(shù)也有著自身特有的缺點(diǎn)，如水力發(fā)電的出力受水文條件制約、水電輸送距離較遠(yuǎn)以及水電建設(shè)投資規(guī)模較大等。

2 新能源發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 新能源技術(shù)模式

新能源開采技術(shù)的基礎(chǔ)是分布式，其關(guān)鍵在于新能源的分配和使用。通常新能源發(fā)電都有著距離用戶較遠(yuǎn)的缺點(diǎn)，且發(fā)電量較小，而在所有新能源技術(shù)模式之中，除了傳統(tǒng)能源之外，其他都是清潔、友好的可再生能源。

2.2 新能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由小型的新能源裝置組成，包含風(fēng)能、水能、太陽能以及其他新能源。為了確保在將新能源發(fā)電進(jìn)行并線使電網(wǎng)能夠安全運(yùn)行，還需要對(duì)這些新能源裝置安裝逆變器，再將其連接至電網(wǎng)系統(tǒng)之中。由此可見，新電網(wǎng)的關(guān)鍵部件就是雙向逆變器和靜態(tài)開關(guān)。首先，雙向逆變器主要用于微小型的器件，除了采用傳統(tǒng)的逆變器并聯(lián)運(yùn)行之外，還具備相應(yīng)的控制功能，滿足系統(tǒng)的運(yùn)行，因此逆變器運(yùn)營控制技術(shù)就成為微芯片領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)。其次，靜態(tài)開關(guān)主要用于微網(wǎng)絡(luò)和主網(wǎng)絡(luò)的公共訪問，一旦主網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，系統(tǒng)主開關(guān)就會(huì)自動(dòng)將微網(wǎng)絡(luò)切換至孤島運(yùn)行，而在主網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行故障消除之后，微網(wǎng)絡(luò)和主網(wǎng)絡(luò)之間的通信將會(huì)自行恢復(fù)。此外，在新能源結(jié)構(gòu)之中，除了雙向逆變器和靜態(tài)開關(guān)之外，電能質(zhì)量控制裝置也是一個(gè)十分關(guān)鍵的設(shè)備，可開展全面質(zhì)量控制以及確保微網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行。

2.3 新電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 微芯片操作

微網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由多個(gè)微網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，這些能源的特征和成本是不同的，因此，如何能夠在微芯片運(yùn)行過程中保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，盡量降低微芯片對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)的影響就成為了需要進(jìn)一步研究和討論的問題。由于微芯片本身抗干擾能力較弱，且微芯片操作多是以微探針的形式存在，其主要作用于多個(gè)微網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)控制。此外，微芯片操作還體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)和獨(dú)立工作流的切換過程，在電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，首先會(huì)切斷分布式電源，這種情況下微網(wǎng)絡(luò)不僅要連接到大型電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之中，還應(yīng)做到和大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間的相互獨(dú)立。因此，應(yīng)對(duì)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行不斷的優(yōu)化，并同時(shí)更新控制策略，以便盡可能的消除對(duì)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的影響。

2.3.2 能源管理和優(yōu)化運(yùn)行

微芯片最為重要的組成部分之一就是先進(jìn)的能量管理系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)還能夠提供交錯(cuò)服務(wù)，在有需求時(shí)，其能夠利用對(duì)需求響應(yīng)的延遲來確保電網(wǎng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵負(fù)載得以交付。

3 基于新能源發(fā)電的水利發(fā)電技術(shù)

3.1 變速恒頻水力發(fā)電技術(shù)

變速恒頻水力發(fā)電技術(shù)主要用于解決小微型水電機(jī)組變速運(yùn)行，在低水頭、低流量時(shí)發(fā)電困難時(shí)，可實(shí)現(xiàn)全季節(jié)、全天候發(fā)電，提升電能并網(wǎng)質(zhì)量；同時(shí)，改變傳統(tǒng)小水電運(yùn)行方式，變“蓄水發(fā)電”為“有水發(fā)電”，實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量釋放和發(fā)電兩不誤。當(dāng)前，國內(nèi)研究開發(fā)的變速發(fā)電系統(tǒng)類型主要有交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電系統(tǒng)、無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)以及全功率變流器發(fā)電系統(tǒng)，其中最為常用的為交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電系統(tǒng)（見圖1）。

圖1 交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖1 可以看出，在交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電系統(tǒng)之中，電網(wǎng)通過變頻器和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相連，并給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組提供交流勵(lì)磁電壓，在系統(tǒng)調(diào)速運(yùn)行過程中，電網(wǎng)頻率、轉(zhuǎn)子勵(lì)磁頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系見式（1）

式中fs—電網(wǎng)頻率；fr—轉(zhuǎn)子勵(lì)磁頻率；—電機(jī)轉(zhuǎn)速。

在電網(wǎng)頻率恒定，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁頻率為正時(shí)，電機(jī)處于一種亞同步工作狀態(tài)下，此時(shí)的發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速要低于額定電網(wǎng)頻率下的轉(zhuǎn)速，如果在電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁頻率為負(fù)的情況下，電子實(shí)際轉(zhuǎn)速會(huì)高于額定電網(wǎng)頻率下的轉(zhuǎn)速，此時(shí)電機(jī)處于一種超同步工作狀態(tài)。因此，利用對(duì)勵(lì)磁頻率的調(diào)節(jié)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)輸出功率的調(diào)節(jié)，有助于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 蜂窩式水力發(fā)電技術(shù)

蜂窩式水利發(fā)電技術(shù)是一種分布式水力發(fā)電技術(shù)，也是一種新型的水力發(fā)電技術(shù)，其具有靈活、可靠和分布式的特征，蜂巢式水輪發(fā)電機(jī)呈蜂窩狀，因此該技術(shù)也被稱之為蜂巢式水力發(fā)電技術(shù)。每組蜂窩發(fā)生器由多個(gè)蜂窩發(fā)生器單元所組成，在每個(gè)蜂窩發(fā)生器單元內(nèi)部安裝有對(duì)應(yīng)的水輪機(jī)葉片，分布均勻的水輪機(jī)葉片承擔(dān)著從水流中獲得能量的任務(wù)。而蜂窩發(fā)電機(jī)內(nèi)的葉輪利用葉輪支腿固定在蜂窩發(fā)電機(jī)組機(jī)座之內(nèi)，構(gòu)建起了一種穩(wěn)定、靈活的結(jié)構(gòu)。另外，為了能夠拓寬蜂窩式水輪發(fā)電機(jī)組的適用范圍，在實(shí)際應(yīng)用過程中一般會(huì)采用多個(gè)機(jī)組組合的形式來提升水能的獲取效率，并最終作用至發(fā)電機(jī)上產(chǎn)生電能。蜂窩式水力發(fā)電技術(shù)具有較高的能量利用率，通常其水能利用率可高達(dá)75%～90%。

4 基于新能源發(fā)電的水力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

傳統(tǒng)水利發(fā)電技術(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于科學(xué)合理地確定水電站的建設(shè)規(guī)模和具體運(yùn)行方式，而對(duì)于水利發(fā)電工程進(jìn)行規(guī)劃則通常是在水資源綜合利用最優(yōu)目標(biāo)前提下開展的，需要綜合考慮防洪、灌溉以及供水等多方面的需求，并橫向比對(duì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境、社會(huì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境等因素選擇最佳綜合效益。

在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)日新月異的社會(huì)下，發(fā)展現(xiàn)代化的電力系統(tǒng)就更需要充分利用水電的優(yōu)勢(shì)，并充分發(fā)揮出水電站所具有的調(diào)峰、調(diào)頻以及調(diào)相等功能。但要想實(shí)現(xiàn)水電站的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相功能，首先需要優(yōu)化創(chuàng)新水電的發(fā)展模式，以滿足現(xiàn)代化電力系統(tǒng)的運(yùn)營需求。隨著我國“雙碳”戰(zhàn)略的提出，能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化決定了電力系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)調(diào)峰有著巨大的要求，且只有依靠技術(shù)創(chuàng)新才能夠滿足水利電站的調(diào)峰需求。因此，對(duì)于傳統(tǒng)水利發(fā)電系統(tǒng)而言，當(dāng)務(wù)之急就是對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化改造，并積極引進(jìn)先進(jìn)的現(xiàn)代化設(shè)備和技術(shù)以提升電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。此外，對(duì)于已經(jīng)規(guī)劃建設(shè)的水利發(fā)電項(xiàng)目，應(yīng)重新考慮新型電力系統(tǒng)所帶來的邊界問題，可科學(xué)合理地利用長(zhǎng)短時(shí)間尺度對(duì)水電站進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，并制定出完善的電力發(fā)展規(guī)劃，以滿足水電調(diào)峰的需求。

5 結(jié)語

在新時(shí)代背景下，隨著人們對(duì)于新能源發(fā)電的研究不斷深入，水力發(fā)電技術(shù)得益于其所擁有的生態(tài)環(huán)保、效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，也必將獲得更加廣泛的應(yīng)用。因此，需加大對(duì)于水力發(fā)電技術(shù)的投入和政策支持，以不斷推動(dòng)水力發(fā)電技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，提升水力發(fā)電的整體效益，進(jìn)而推動(dòng)我國電力事業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展。